[发明专利]一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统及方法

说明书

本发明一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统及方法，由喷杆、信息获取单元和控制单元组成，包括以下步骤：步骤一：建立喷杆离地高度s与拉线式油缸位移传感器输出电流y间的关系；步骤二：超声波测距传感器的标定；步骤三：喷杆对地相对高度的采集；步骤四：高度采集数据的抗干扰处理；步骤五：利用多源数据融合求得喷杆离地高度H₀；步骤六：求得喷杆相对作物冠层距离H_canno；步骤七：喷杆倾角θ_b的获取；步骤八：喷杆末端离地高度H_end的导出。其特征在于：通过在拖拉机两后轮胎正对的喷杆位置安装两个超声测距传感器，在控制单元作用下通过数据采集及多源信息融合，实现了稠密冠层喷杆与地面相对高度的准确监测。

技术领域

本发明一种基于多源信息融合的喷杆对地高度实时监测系统及方法，属于智能化农业装备领域。

背景技术

我国市面上现有喷杆喷雾机以6-12米为主，有限的喷幅一方面导致喷雾效率低，另一方面喷雾机在一定作业面积作业时，在田间来回行走趟数多，对作物压损面积大。随着我国土地快速轮转和规模化种植的发展需求，目前市面上出现了幅宽为24m以上的喷杆喷雾机。大幅宽喷杆喷雾机带来的新问题：喷雾机在田间作业时，由于地面起伏不平引起喷杆抖动和倾斜。对于大喷幅的喷雾机，喷杆倾斜一个小的角度很可能导致喷杆末端触地造成喷杆折断或弯曲，也会刮伤作物。在实际作业中，为提高雾滴沉积均匀性和防止漂移，喷杆必须与作物冠层保持平行且具有一定高度。因此，为提高喷雾质量和避免喷杆损坏，需要对喷杆与作物的相对高度进行稳定、精确、动态的控制，而对喷杆与作物的相对高度的动态监测是实现其稳定、精确控制的前提和关键。

现有技术中，专利1(申请号20150079697.0)公开了一种喷杆平衡和高度自动调节装置及方法，该装置中采用超声波传感器测距模块进行了喷杆对地高度的测量，由于地面相对比较平坦，喷杆对地高度易于测量，但由于田间作物长势不均匀，导致作物冠层起伏不平，测量精度受作物种类、种植密度、风速、行走速度等因素的客观影响，需要对采集的数据进行恰当的抗干扰处理才可以获得有效高度数据；另外，由于超声波传感器垂直安装在喷杆横梁上，喷杆倾斜时传感器也随着倾斜，无法获得喷杆的垂直对地高度。因此，专利1公开的喷杆平衡和高度自动调节装置及方法无法用于喷杆对作物冠层高度的实时测量。专利2(申请号201010603644.1)公开了一种自平衡喷杆喷雾机，在喷雾作业时，控制器根据倾角传感器检测喷杆的水平角度，从而判断喷杆的平衡情况，无法实现喷杆对地面的实时测量。论文《喷杆高度调节系统设计与试验》(王松林等，农机化研究，2014年第8期，第161-164页)设计了三段式的告诉自动调节喷杆，采用三个安装在三段喷杆(左段喷杆、中段喷杆和右段喷杆)上的接触式传感器实时监测喷杆与地面的高度，通过控制器控制液压油缸调节各段喷杆的高度，该系统可以有效调节喷杆的姿态并保持喷杆的高度，但此装置使用的接触式传感器通过与作物接触进行高度检测，会对作物造成损伤；另一方面，若传感器下方正好是地面或者作物株高较小时，会引起误判，导致系统可靠性降低。论文《Performanceevaluation of multiple ground based sensors mounted on a commercial wildblueberry harvester to sense plant height,fruit yield and topographicfeatures in real-time》(Farooque A A,Chang Y K,Zaman Q U,et al,ComputersElectronics in Agriculture,2013,91:135-144)将一个超声波传感器安装在野生蓝莓收获机上对蓝莓株高进行实时检测，在田间路面平坦时，可以有效的检测蓝莓株高，但地面倾斜一定角度时，获得的株高数据误差较大，无法用于株高的有效检测。论文《喷杆高度在线调控设计与试验研究》(潘佛雏等，农机化研究,2017年第11期，第107-111页)应用了超声波测距传感器采集作物冠层与喷杆距离，采用加倾角传感器获取喷杆倾斜角度，测量结果比单纯应用超声波测量效果好，但无法准确获取喷杆倾斜时的喷杆对冠层的相对高度，其滤波方法连续测量到5个有效值偶然性较大，不稳定。论文《Direct derivation of maizeplant and crop height from low-cost time-of-flight camera measurements》(PlantMethods,2016)使用了3D摄像机测量植株高度，但图像数据处理时间较长，实时性差。论文《A LIDAR-based crop height measurement system for Miscanthus giganteus》(ComputersElectronics in Agriculture,2012)使用激光雷达测量喷杆相对作物冠层高度，该方法使用的激光雷达价格昂贵，性价比低。论文《喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统》(农业机械学报,2015)使用超声波测传感器测量喷杆两端相对地面的高度，但该方法只适用于配备有分行器的喷杆式喷雾机以及棉花等宽叶的低矮植物，对于如水稻、小麦等细长叶植物以及高杆作物不适合。论文《Control of spraying height withultrasonic sensor for boom sprayer(Part 1)》(农业机械学会志,1992，52(2)：31-39)使用超声波测传感器对喷杆相对作物冠层高度的监测进行了研究，结果表明，对于如马铃薯、四季豆和甜菜的宽叶作物，叶片的表面直径与检测距离之比0.05时，才能能够检测到目标高度且传感器监测高度的误差6cm。对于具有细长叶的作物(如小麦)，由于反射回波的降低，传感器不能获得正确高度值。